混空轻烃燃气露点计算方法的探究

樊玉光，史冬雨，魏 嘉，张 硕

西安石油大学机械工程学院 （陕西 西安 710065）

改革开放以来，随着人口数量的增长以及国家经济增长速度的加快，能源供求问题日益突显出来，煤电油供求关系明显趋紧。目前我国能源利用问题主要是能源利用技术落后以及能源利用效率比较低，根据可持续发展的要求，提高能源利用率、研究发展新型能源迫在眉睫[1]。

混空轻烃燃气是由轻烃原料经过工艺装置气化，与空气按一定比例充分混合配制成的可燃气体。作为我国新能源领域的一种新型燃气，混空轻烃燃气在我国的工业以及家用领域均有较为广阔的发展前景。但与此同时，由于其发展时间较短，与混空轻烃燃气相关的工艺参数标准，尤其是露点的制定仍然很不完善。作为一项重要的燃气参数，经济、合理地确定混空轻烃燃气的露点对于保证混空轻烃燃气的长期经济运行以及输气管道安全运行具有重要的意义。

目前国家涉及露点描述的燃气标准大部分均是以天然气为参考制定的，并且只规定了标准燃气露点在运输过程中的合理范围，缺乏相关精确的计算过程，或者只有露点的相关检测方法。因此，制定一套完整的混空轻烃燃气露点规范是非常必要的。

1　现有标准的混空轻烃露点计算

1.1　计算方法

在诸多标准中，目前国家只有CJT 341—2010《混空轻烃燃气》较为详细地规定了针对混空轻烃燃气的露点计算，其计算方法如下[2]。

1）轻烃混空气中气液平衡时轻烃的蒸汽分压按式（1）计算：

式中：P为轻烃混空气中气液平衡时轻烃的蒸汽分压，Pa（绝）；γi为该组分在轻烃气相中的体积分数，%；pi为轻烃混合液体中该组分的蒸汽压，Pa（绝）。

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2）轻烃原料的蒸汽压按式（2）计算：

式中：t为液体温度，℃；P为t温度下的蒸汽压，Pa（绝）；A、B、C是与碳氢化合物种类有关的系数，按安托内公式的常数采用。

1.2　现有计算方法的局限性

1）上述计算方法实际投入使用的轻烃原料成分均较为复杂，含有很多戊烷以外的物质，如苯、双环戊二烯等，这些重质组分的含量对混空轻烃燃气的露点影响较大。而且上述计算方法既需要轻烃原料的气态参数，又需要确定轻烃液态时混合液体各组分的参数，不仅会使计算过程变得复杂化，而且计算误差的来源也会增多，降低计算精确度。

2）上述计算方法并没有考虑混空轻烃燃气含水的情况。参考天然气及人工煤气制造运输规范，在实际混空轻烃燃气制造和运输的过程中，水蒸汽的含量会对燃气的露点产生影响，不仅会提高混空轻烃燃气整体的露点值，而且运输管道中析出的液体会降低天然气管道的输送效率，增大输送介质腐蚀管道内壁的概率，严重时管道中的带液还会造成燃烧的发生，甚至爆炸。

2　相平衡常数法计算混空轻烃燃气露点

由于混空轻烃燃气的气态烃部分经常是由多种烃类构成的混合物，所以可以根据多组分物系露点的相平衡常数法进行露点的计算。其原理是根据已知混空轻烃燃气各组分的气相分率以及工作压力，依据相平衡关系以及浓度总和归一方程，最终求解出混空轻烃燃气在一定压力状态下的露点温度。相平衡常数的计算方法及浓度总和归一方程如下：

用（3）式计算出的相平衡常数Ki适用于中压、液相非理想性不是很强的烃类系统。在一些精度要求不高的计算中，相平衡常数还可以通过查阅相平衡常数P—T—K列线图得到。但是对于大部分极性物质、大分子化合物等非理想型较强的系统，上述相平衡常数计算方法得到数值并不精确，此时相平衡常数由以下公式求得：

实验室用某企业提供的混合轻烃组分进行了混空实验，其各组分含量如下：戊烷总质量分数为98.40%，其中正戊烷的质量分数为44.35%，异戊烷54.05%；C6及以上的重组分的质量分数为1.0%，C4组分的质量分数为0.60%，气态轻烃与空气常压下以体积比1∶4混合，得到混空轻烃燃气。考虑到C6以及C4组分均为少量，计算时用正己烷与正丁烷代替，并利用相平衡常数法进行计算，最终得出这种混空燃气在常压下的露点温度为-7.8℃，这与CJT 341—2010《混空轻烃燃气》中对混空燃气露点温度在-10～-2.5℃之间的描述基本相符。

在实际操作过程中，当空气中水分含量超过某一值时，就会对与空气混合后的混空轻烃燃气的露点造成极大的影响。参考天然气标准，管输天然气中水含量一般不高于300 mg/m3，在一些高含硫化氢气田中开采出来的含CO2、H2S的天然气，其饱和水含量也不会超过1 000 mg/m3。由此计算当混空轻烃燃气由不含水提升到含水量1 000 mg/m3时，露点提升了约2℃。查阅相关资料发现，在含水量为100 mg/m3时，常压下天然气露点由约-160℃上升为-47 ℃左右[3-5]。

相比天然气，混空轻烃燃气受水含量的影响相对较小，这与两种气体的组分不同有关，但是水含量不仅会对燃气露点产生影响，也会对燃气的燃烧性能产生影响。不仅影响到燃烧是否能够持续稳定进行，而且水含量过多也会降低火焰温度，影响到工业生产及家庭生活使用，所以控制燃气中水含量仍然是非常必要的。

3　相平衡常数计算方法的优点

在实际油品炼制的过程中，产物的种类非常多。因此，作为石油炼制产品的副产物，混空燃气的液相轻烃原料的成分也较为复杂，同分异构的情况非常常见，并且还会含有少量的重质组分[6]。

相平衡常数法计算露点的方法不仅适用于组分复杂的情况，对于大多数极性或者非极性烃类化合物系统，均有较高的计算精度。并且同样适用于原料含水时的露点计算，这是现有标准中的计算方法所不能达到的。

4　结论

1）由于混空轻烃燃气在我国属于新能源领域，其露点的确定对燃气的制备、运输等过程有显著影响。在混空燃气制备的过程中，需要综合考虑轻烃原料成分、燃气运输条件以及当地气候条件的影响，通过控制与空气混合的比例来调节制造出混空燃气的露点，如适当增加混合的空气量或者降低空气的水分含量以降低混空轻烃燃气的露点。若当地环境气温较低，如我国东北地区，则可考虑在输送管道中设置保温层以防止混空轻烃燃气液化。

2）综合考虑各种因素的影响，经济合理的确定轻烃原料的组分含量以及轻烃原料和空气的混合比例，有助于混空轻烃燃气在工业领域更好地利用。

总的来说，混空燃气在我国发展潜力巨大，针对混空轻烃燃气相关参数尤其是露点的计算方法还有待深入研究，有助于其进一步地推广和使用，以促进我国经济发展。